ZELLKERN: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN, STRUKTUR - BIOLOGIE - 2024

Der Zellkern ist ein grundlegendes Kompartiment eukaryotischer Zellen. Es ist die auffälligste Struktur dieses Zelltyps und hat das genetische Material. Es steuert alle zellulären Prozesse: Es enthält alle Anweisungen, die in der DNA kodiert sind, um die notwendigen Reaktionen durchzuführen. Es ist an den Prozessen der Zellteilung beteiligt.

Alle eukaryotischen Zellen haben einen Kern, mit Ausnahme einiger spezifischer Beispiele wie reifer roter Blutkörperchen (Erythrozyten) bei Säugetieren und Phloemzellen bei Pflanzen. In ähnlicher Weise gibt es Zellen mit mehr als einem Kern, wie einige Muskelzellen, Hepatozyten und Neuronen.

Der Kern wurde 1802 von Franz Bauer entdeckt; 1830 beobachtete der Wissenschaftler Robert Brown jedoch auch diese Struktur und wurde als Hauptentdecker bekannt. Aufgrund seiner Größe kann es unter einem Mikroskop deutlich beobachtet werden. Darüber hinaus ist es eine einfache Färbestruktur.

Der Kern ist keine homogene und statische kugelförmige Einheit mit dispergierter DNA. Es ist eine komplexe und komplizierte Struktur mit verschiedenen Komponenten und Teilen im Inneren. Darüber hinaus ist es dynamisch und ändert sich ständig während des Zellzyklus.

Eigenschaften

Der Kern ist die Hauptstruktur, die die Unterscheidung zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen ermöglicht. Es ist das größte Zellenfach. Im Allgemeinen befindet sich der Kern nahe dem Zentrum der Zelle, es gibt jedoch Ausnahmen wie Plasmazellen und Epithelzellen.

Es handelt sich um eine kugelförmige Organelle mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 um, die jedoch je nach Zelltyp 12 um erreichen kann. Ich kann ungefähr 10% des gesamten Zellvolumens einnehmen.

Es hat eine Kernhülle, die von zwei Membranen gebildet wird, die es vom Zytoplasma trennen. Das genetische Material ist zusammen mit Proteinen darin organisiert.

Obwohl es keine anderen membranösen Unterkompartimente innerhalb des Kerns gibt, kann eine Reihe von Komponenten oder Regionen innerhalb der Struktur unterschieden werden, die spezifische Funktionen haben.

Eigenschaften

Dem Zellkern wird eine außergewöhnliche Anzahl von Funktionen zugeschrieben, da er die Sammlung aller genetischen Informationen der Zelle (ausgenommen mitochondriale DNA und Chloroplasten-DNA) enthält und die Prozesse der Zellteilung steuert. Zusammenfassend sind die Hauptfunktionen des Kernels wie folgt:

Genregulation

Das Vorhandensein einer Lipidbarriere zwischen dem genetischen Material und den übrigen zytoplasmatischen Komponenten trägt dazu bei, die Interferenz anderer Komponenten mit der Funktion der DNA zu verringern. Dies stellt eine evolutionäre Innovation dar, die für Gruppen von Eukaryoten von großer Bedeutung ist.

Schneiden und Spleißen

Der Spleißprozess der Messenger-RNA findet im Kern statt, bevor das Molekül zum Zytoplasma wandert.

Das Ziel dieses Prozesses ist die Eliminierung von Introns („Stücke“ genetischen Materials, die nicht kodieren und die Exons unterbrechen, Bereiche, die kodieren) aus der RNA. Später verlässt die RNA den Kern, wo sie in Proteine ​​übersetzt wird.

Es gibt andere spezifischere Funktionen jeder Kernelstruktur, die später besprochen werden.

Struktur und Zusammensetzung

Der Kern besteht aus drei definierten Teilen: der Kernhülle, dem Chromatin und dem Nukleolus. Wir werden jede Struktur im Folgenden detailliert beschreiben:

Atomhülle

Die Kernhülle besteht aus Membranen lipider Natur und trennt den Kern vom Rest der Zellbestandteile. Diese Membran ist doppelt und zwischen diesen befindet sich ein kleiner Raum, der als perinukleärer Raum bezeichnet wird.

Das innere und äußere Membransystem bildet mit dem endoplasmatischen Retikulum eine kontinuierliche Struktur

Dieses Membransystem wird durch eine Reihe von Poren unterbrochen. Diese Kernkanäle ermöglichen den Austausch von Material mit dem Zytoplasma, da der Kern nicht vollständig vom Rest der Komponenten isoliert ist.

Kernporenkomplex

Durch diese Poren erfolgt der Stoffaustausch auf zwei Arten: passiv, ohne dass Energie verbraucht werden muss; oder aktiv, mit Energieverbrauch. Passiv können kleine Moleküle wie Wasser oder Salze, die kleiner als 9 nm oder 30-40 kDa sind, ein- und austreten.

Dies geschieht im Gegensatz zu Molekülen mit hohem Molekulargewicht, die ATP (Energie-Adenosintriphosphat) benötigen, um sich durch diese Kompartimente zu bewegen. Große Moleküle umfassen RNA-Stücke (Ribonukleinsäure) oder andere Biomoleküle proteiner Natur.

Poren sind nicht einfach Löcher, durch die Moleküle gehen. Es handelt sich um große Proteinstrukturen, die 100 oder 200 Proteine ​​enthalten können und als "Kernporenkomplex" bezeichnet werden. Strukturell sieht es einem Basketballkorb sehr ähnlich. Diese Proteine ​​werden Nucleoporine genannt.

Dieser Komplex wurde in einer Vielzahl von Organismen gefunden: von Hefen bis zu Menschen. Neben der zellulären Transportfunktion ist es auch an der Regulation der Genexpression beteiligt. Sie sind eine unverzichtbare Struktur für Eukaryoten.

In Bezug auf Größe und Anzahl kann der Komplex bei Wirbeltieren eine Größe von 125 MDa erreichen, und ein Kern in dieser Tiergruppe kann etwa 2000 Poren aufweisen. Diese Eigenschaften variieren je nach untersuchtem Taxon.

Chromatin

Chromatin befindet sich im Kern, aber wir können es nicht als Kompartiment davon betrachten. Es ist nach seiner hervorragenden Fähigkeit benannt, zu färben und unter dem Mikroskop beobachtet zu werden.

DNA ist ein extrem langes lineares Molekül in Eukaryoten. Die Verdichtung ist ein Schlüsselprozess. Das genetische Material ist mit einer Reihe von Proteinen assoziiert, die Histone genannt werden und eine hohe Affinität zur DNA aufweisen. Es gibt auch andere Arten von Proteinen, die mit DNA interagieren können und keine Histone sind.

In Histonen rollt DNA auf und bildet Chromosomen. Dies sind dynamische Strukturen, die nicht ständig in ihrer typischen Form gefunden werden (die Xs und Ys, die wir in Illustrationen in Büchern gewohnt sind). Diese Anordnung tritt nur während der Zellteilung auf.

In den übrigen Stadien (wenn sich die Zelle nicht teilt) können die einzelnen Chromosomen nicht unterschieden werden. Diese Tatsache legt nicht nahe, dass Chromosomen homogen oder ungeordnet im Kern verteilt sind.

An der Schnittstelle sind die Chromosomen in bestimmten Domänen organisiert. In Säugetierzellen nimmt jedes Chromosom ein bestimmtes „Territorium“ ein.

Chromatin-Typen

Zwei Arten von Chromatin können unterschieden werden: Heterochromatin und Euchromatin. Die erste ist stark kondensiert und befindet sich an der Peripherie des Kerns, sodass die Transkriptionsmaschinerie keinen Zugang zu diesen Genen hat. Euchromatin ist lockerer organisiert.

Heterochromatin wird in zwei Typen unterteilt: konstitutives Heterochromatin, das niemals exprimiert wird; und fakultatives Heterochromatin, das in einigen Zellen nicht transkribiert wird und in anderen.

Das bekannteste Beispiel für Heterochromatin als Regulator der Genexpression ist die Kondensation und Inaktivierung des X-Chromosoms. Bei Säugetieren haben Frauen XX Geschlechtschromosomen, während Männer XY sind.

Aus Gründen der Gendosierung können Frauen nicht doppelt so viele Gene in X haben wie Männer. Um diesen Konflikt zu vermeiden, wird in jeder Zelle ein X-Chromosom zufällig inaktiviert (wird zu Heterochromatin).

Nucleolus

Der Nucleolus ist eine sehr relevante innere Struktur des Nucleus. Es ist kein durch Membranstrukturen begrenztes Kompartiment, sondern ein dunklerer Bereich des Kerns mit spezifischen Funktionen.

Die Gene, die für ribosomale RNA kodieren und von der RNA-Polymerase I transkribiert werden, sind in diesem Bereich gruppiert. In der menschlichen DNA befinden sich diese Gene in den Satelliten der folgenden Chromosomen: 13, 14, 15, 21 und 22. Dies sind nukleolare Organisatoren.

Der Nukleolus ist wiederum in drei diskrete Regionen unterteilt: fibrilläre Zentren, fibrilläre Komponenten und körnige Komponenten.

Neuere Studien haben immer mehr Hinweise auf mögliche zusätzliche Funktionen des Nucleolus gesammelt, die nicht nur auf die Synthese und Assemblierung von ribosomaler RNA beschränkt sind.

Es wird derzeit angenommen, dass der Nucleolus an der Assemblierung und Synthese verschiedener Proteine ​​beteiligt sein könnte. In dieser Kernzone wurden auch posttranskriptionelle Modifikationen nachgewiesen.

Der Nucleolus ist auch an regulatorischen Funktionen beteiligt. Eine Studie zeigte, wie es mit Tumorsuppressorproteinen zusammenhängt.

Cajals Körper

Die Cajal-Körper (auch Spiralkörper genannt) tragen diesen Namen zu Ehren ihres Entdeckers Santiago Ramón y Cajal. Dieser Forscher beobachtete diese Blutkörperchen 1903 in Neuronen.

Sie sind kleine Strukturen in Form von Kugeln und existieren von 1 bis 5 Kopien pro Kern. Diese Körper sind sehr komplex mit einer relativ hohen Anzahl von Komponenten, einschließlich dieser Transkriptionsfaktoren und spleißbezogenen Maschinen.

Diese kugelförmigen Strukturen wurden in verschiedenen Teilen des Kerns gefunden, da es sich um mobile Strukturen handelt. Sie kommen im Allgemeinen im Nucleoplasma vor, obwohl sie in Krebszellen im Nucleolus gefunden wurden.

Es gibt zwei Arten von Kastenkörpern im Kern, die nach ihrer Größe klassifiziert sind: groß und klein.

PML-Körper

PML-Körper (Promyelocytic Leukemia) sind kleine kugelförmige subnukleare Bereiche von klinischer Bedeutung, da sie mit Virusinfektionen und Onkogenese in Verbindung gebracht wurden.

Sie sind in der Literatur unter einer Vielzahl von Namen bekannt, wie z. B. Kerndomäne 10, Kremer-Körper und onkogene PML-Domänen.

Ein Kern hat 10 bis 30 dieser Domänen und einen Durchmesser von 0,2 bis 1,0 um. Unter seinen Funktionen sticht die Regulation von Genen und die RNA-Synthese hervor.

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